EP1342892B1 - Kreislauf zur Kühlung von Ladeluft und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kreislaufs - Google Patents

Kreislauf zur Kühlung von Ladeluft und Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kreislaufs Download PDF

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a circuit for cooling charge air in a motor vehicle with a turbocharger according to the preamble of claim 1.
  • turbochargers are used to compress the air to increase the performance of engines.
  • charge air there is a heating of the air, hereinafter referred to as charge air, as a result of the compression in the turbocharger to temperatures above 150 ° C.
  • air coolers are used, which are arranged in front of the cooling module and serve to cool the charge air.
  • the charge air flows through a heat exchanger, which is flowed through by ambient air and thus cooled. This makes it possible to cool the charge air to a temperature which is approximately 40-80 K above the ambient air temperature.
  • the cooling of the charge air takes place via a coolant circuit.
  • the charge air flows close to the engine through a coolant-loaded air cooler, in which the heat is transferred to the coolant.
  • the coolant is pumped through an air / coolant radiator located in the front cooling module of the vehicle. There will be the Heat is released into the ambient air, whereby the coolant-cooled charge air cooling has a higher efficiency than the air-cooled charge air cooling.
  • a second cooling stage in a cycle, i. a coolant and / or refrigerant circuit, provided for cooling charge air in a motor vehicle with a turbocharger, a second cooling stage.
  • a second cooling stage By such a second cooling stage, a more effective cooling of the charge air is possible.
  • the charge air which is cooled to a greater extent in this way leads to an increase in engine output, since the air conditioning capacity of the air conditioning system for the interior is not fully utilized at high speeds.
  • Lowering the charge air temperature to a temperature below the ambient air temperature results in reduced NOx formation since the combustion temperature can be lowered, thus also providing environmental benefits.
  • the heat of the charge air for example, can be used to heat the vehicle interior.
  • a coolant circuit is provided with a cooler for cooling charge air in which the coolant circuit has an evaporator, which is part of a refrigerant circuit.
  • the refrigerant circuit is part of an air conditioner.
  • the coolant is brought to a low temperature level via the refrigerant circuit.
  • the additional evaporator can be installed in existing circuits in a relatively simple manner.
  • a cooler in front of the evaporator is a cooler in which coolant is (pre) cooled by the ambient air, and after the evaporator, the cooler for the charge air.
  • the evaporator is arranged at a bypass of the refrigerant circuit, which is arranged parallel to the evaporator of the air conditioner.
  • the bypass preferably has an expansion valve, as well as the parallel part of the main line.
  • a storage container is arranged in the coolant circuit, in which cooled coolant can be stored in order to compensate for transient braking and acceleration processes, since the refrigerant compressor is coupled to the engine speed.
  • Fig. 1 shows a first embodiment in which a coolant circuit 1 is provided with a coolant having a coolant pump 2 driving the coolant in the coolant circuit 1, a radiator 3, a coolant / refrigerant evaporator 4 and a coolant / charge air cooler 5, wherein the coolant flows through the individual stations in the above-mentioned order.
  • the coolant in the cooler 3 is cooled by the ambient air before it is further cooled in the coolant / refrigerant evaporator 4, preferably between 5 and 25 ° C, in the coolant / charge air cooler 5 of the charge air compressed by means of a compressor K. Extract heat before it is supplied to the motor M.
  • a refrigerant circuit 11 which in turn has a refrigerant compressor 12 driving the refrigerant in the refrigerant circuit 11, a condenser 13 which cooperates with the radiator 3 of the refrigerant circuit 1, an expansion valve 14 and an air-conditioner evaporator 15.
  • a bypass 16 is provided, which has a second expansion valve 17 and leads through the coolant / refrigerant evaporator 4 back to the refrigerant compressor 12. The regulation of the refrigerant by means of a arranged at the junction of the bypass 16 valve 18.
  • controllable valves can be provided to one of the two parallel evaporators connected or disconnected or to be able to throttle.
  • the refrigerant flows from the refrigerant compressor 12 to the condenser 13 where the refrigerant is cooled by means of the ambient air. Subsequently, the refrigerant reaches the valve 18 from which it passes to the first expansion valve 14 and the air-conditioner evaporator 15 or, depending on the position of the valve 18, via the bypass 16, ie the second expansion valve 17 and the refrigerant / refrigerant evaporator 4 and the bypass 16 is returned to the main line.
  • the two evaporators 4 and 5 are arranged parallel to each other and can be individually switched on or off. Furthermore, the injected amount of refrigerant in the refrigerant circuit 11 can be regulated via the expansion valves 14 and 17. Instead of expansion valves, for example, orifice tubes (orifice tubes) can be used.
  • expansion valves for example, orifice tubes (orifice tubes) can be used.
  • the condenser 13 and the radiator 3 are flowed through by a fan 19 of air.
  • FIG. 2 illustrated second embodiment is substantially consistent with the first embodiment, so that the same or equivalent elements are provided by 100 higher reference numerals.
  • a storage container 120 is provided which serves to store cold coolant.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kreislauf zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Gemäß dem Stand der Technik werden zur Leistungssteigerung von Motoren Turbolader zur Verdichtung der Luft verwendet. Hierbei erfolgt jedoch eine Erwärmung der Luft, im Folgenden als Ladeluft bezeichnet, in Folge der Kompression im Turbolader auf Temperaturen von über 150°C. Um eine derartige Lufterwärmung zu vermindern, werden Luftkühler verwendet, die vorne im Kühlmodul angeordnet sind und zur Kühlung der Ladeluft dienen. Die Ladeluft strömt dabei durch einen Wärmeübertrager, der von Umgebungsluft durchströmt und damit gekühlt wird. Dadurch ist eine Abkühlung der Ladeluft auf eine Temperatur möglich, die etwa 40-80 K über der Temperatur der Umgebungsluft liegt.
  • Ferner ist bekannt, dass die Kühlung der Ladeluft über einen Kühlmittelkreislauf erfolgt. Hierbei strömt die Ladeluft motornah durch einen kühlmittelbeaufschlagten Luftkühler, in dem die Wärme an das Kühlmittel übertragen wird. Das Kühlmittel wird durch einen Luft-/Kühlmittelkühler gepumpt, der im vorderen Kühlmodul des Fahrzeuges angeordnet ist. Dort wird die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben, wodurch die kühlmittelgekühlte Ladeluft-Kühlung einen höheren Wirkungsgrad als die luftgekühlte Ladeluft-Kühlung aufweist.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kreislauf der eingangs genannten Art zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Erfindungsgemäß wird bei einem Kreislauf, d.h. einem Kühlmittel- und/oder Kältemittelkreislauf, zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader eine zweite Kühlstufe vorgesehen. Durch eine derartige zweite Kühlstufe ist eine effektivere Kühlung der Ladeluft möglich. Die auf diese Weise stärker abgekühlte Ladeluft führt zu einer Leistungssteigerung des Motors, da bei hohen Drehzahlen die Klimatisierungsleistung der Klimaanlage für den Innenraum nicht im vollen Umfang benötigt wird. Die Absenkung der Ladelufttemperatur auf eine Temperatur unter der Umgebungslufttemperatur führt zu einer verringerten NOx-Bildung, da die Verbrennungstemperatur abgesenkt werden kann, so dass sich auch Vorteile in Hinblick auf die Umwelt ergeben. Als Nebeneffekt kann die Wärme der Ladeluft bspw. zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes verwendet werden.
  • Dabei wird ein Kühlmittelkreislauf mit einem Kühler zur Kühlung von Ladeluft vorgesehen bei dem der Kühlmittelkreislauf einen Verdampfer aufweist, welcher Teil eines Kältemittelkreislaufs ist. Vorzugsweise ist der Kältemittelkreislauf Teil einer Klimaanlage. Dabei wird das Kühlmittel über den Kältemittelkreislauf auf ein niedriges Temperaturniveau gebracht. Der zusätzliche Verdampfer kann auf relativ einfache Weise in bestehende Kreisläufe eingebaut werden.
  • Vorzugsweise ist vor dem Verdampfer ein Kühler, worin Kühlmittel von der Umgebungsluft (vor-)gekühlt wird, und nach dem Verdampfer der Kühler für die Ladeluft angeordnet.
  • Vorzugsweise ist der Verdampfer an einem Bypass des Kältemittelkreislaufs angeordnet, welcher parallel zum Verdampfer der Klimaanlage angeordnet ist. Der Bypass weist vorzugsweise ein Expansionsventil auf, ebenso wie der hierzu parallele Teil der Hauptleitung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im Kühlmittelkreislauf ein Bevorratungsbehälter angeordnet, in dem abgekühltes Kühlmittel gespeichert werden kann, um instationäre Brems- und Beschleunigungsvorgänge auszugleichen, da der Kältemittel-Kompressor mit der Motordrehzahl gekoppelt ist.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1
    einen Kreislauf zur Ladeluftkühlung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und
    Fig. 2
    einen Kreislauf zur Ladeluftkühlung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Kühlmittelkreislauf 1 mit einem Kühlmittel vorgesehen ist, welcher eine das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 1 antreibende Kühlmittel-Pumpe 2, einen Kühler 3, einen Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer 4 und einen Kühlmittel/Ladeluft-Kühler 5 aufweist, wobei das Kühlmittel die einzelnen Stationen in der oben genannten Reihenfolge durchströmt. Hierbei wird das Kühlmittel im Kühler 3 von der Umgebungsluft gekühlt, bevor es im Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer 4 noch weiter abgekühlt wird, vorzugsweise zwischen 5 und 25°C, um im Kühlmittel/Ladeluft-Kühler 5 der mit Hilfe eines Kompressors K komprimierten Ladeluft Wärme zu entziehen, bevor diese dem Motor M zugeführt wird.
  • Ferner ist ein Kältemittelkreislauf 11 vorgesehen, welcher seinerseits einen das Kältemittel im Kältemittelkreislauf 11 antreibenden Kältemittel-Kompressor 12, einen Kondensator 13, welcher mit dem Kühler 3 des Kühlmittelkreislaufs 1 zusammenwirkt, einem Expansionsventil 14 und einem Klima-Verdampfer 15 aufweist. Ferner ist ein Bypass 16 vorgesehen, welcher ein zweites Expansionsventil 17 aufweist und durch den Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer 4 zurück zum Kältemittel-Kompressor 12 führt. Die Regelung des durch Kältemittels erfolgt mittels eines an der Abzweigung des Bypasses 16 angeordneten Ventils 18. Alternativ können auch vor oder nach den beiden Expansionsventilen 14, 17 ansteuerbare Ventile vorgesehen sein, um einen der beiden parallel geschalteten Verdampfer zu- oder abschalten bzw. drosseln zu können. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel strömt das Kältemittel ausgehend von dem Kältemittel-Kompressor 12 zum Kondensator 13, wo das Kältemittel mit Hilfe der Umgebungsluft abgekühlt wird. Anschließend gelangt das Kältemittel zum Ventil 18 von dem es aus zum ersten Expansionsventil 14 und zum Klima-Verdampfer 15 oder, je nach Stellung des Ventils 18, über den Bypass 16, d.h. das zweite Expansionsventil 17 und den Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer 4, gelangt und der Bypass 16 wieder der Hauptleitung zugeführt wird.
  • Die beiden Verdampfer 4 und 5 sind parallel zueinander angeordnet und lassen sich einzeln zu- oder abschalten. Ferner lässt sich die eingespritzte Kältemittelmenge im Kältemittelkreislauf 11 über die Expansionsventile 14 und 17 regeln. Anstelle von Expansionsventilen können bspw. auch Festdrosseln (orifice tubes) eingesetzt werden. Der Kondensator 13 und der Kühler 3 werden über einen Lüfter 19 von Luft durchströmt.
  • Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel stimmt im wesentlichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein, so dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit um 100 höheren Bezugszeichen versehen sind.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist - als einziger Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel - im Kühlmittelkreislauf 101 nach dem Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer 104 und vor dem Kühlmittel/Ladeluft-Kühler 105 ein Bevorratungsbehälter 120 vorgesehen, welcher zur Speicherung von kaltem Kühlmittel dient.

Claims (6)

  1. Kreislauf zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader, wobei der Kreislauf einen Kühlmittelkreislauf (1; 101) und einen Kältemittelkreislauf (11) aufweist, wobei im Kühmittelkreislauf (1:101) eine erste Kühlstufe (3) in Form eines Kühlmittel/Luft- Kühlers (3) welcher das Kühlmittel Kühlt sowie eine zweite Kühlstufein Form eines Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfers (4; 104; 204; 304) welcher gleichzeitig Teil des Kältemittel Kreislaufs (11) ist, vorgeshen ist und wobei das Kühlmittel zweist inder ersten Kühlstüfe gekühlt wird und danach in der zweiten Kühlstüfe gekühlt wird, und wobei Kühlmittelkreislauf (1; 101) ein Ladeluft Kühler (5), welcher die Ladeluft kühlt, nach dem Verdampfer (4; 104) angeordnet ist.
  2. Kreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verdampfer (4; 104) ein Kühler (3; ) angeordnet ist.
  3. Kreislauf , nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (4; 104) an einem Bypass (16) des Kältemittelkreislaufs (11) angeordnet ist.
  4. Kreislauf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (16) ein Expansionsventil (17) aufweist.
  5. Kreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch Kreislauf, dass im Kühlmittelkreislauf (101;) ein Bevorratungsbehälter (120) angeordnet ist.
  6. Kreislauf nach einem der vorergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf einen Wärmetauscher durchströmt, der Teil eines Kreislauf zur Kühlung eines Motors (M) ist.
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